非制冷紅外成像技術(shù)發(fā)展動態(tài)及其軍事應(yīng)用

李其昌 李兵偉 王宏臣

（1. 駐某軍代室，煙臺 264630；2. 煙臺艾睿光電科技有限公司，煙臺 264533）

非制冷紅外成像技術(shù)發(fā)展動態(tài)及其軍事應(yīng)用

李其昌1李兵偉1王宏臣2

（1. 駐某軍代室，煙臺 264630；2. 煙臺艾睿光電科技有限公司，煙臺 264533）

對紅外成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、紅外探測器的主要類型及其民用、軍用價值進(jìn)行了闡述。介紹了非制冷紅外成像技術(shù)的發(fā)展歷程和軍事應(yīng)用價值，分析了非晶硅和氧化釩兩種非制冷成像芯片技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對比分析了國內(nèi)外主要非制冷紅外成像技術(shù)提供商的技術(shù)水平，提出了非制冷紅外成像技術(shù)的發(fā)展方向。

非制冷，紅外成像技術(shù)，發(fā)展動態(tài)，軍事應(yīng)用

1 紅外成像技術(shù)綜述

目前，夜間觀察目標(biāo)主要有人工照明、微光夜視和紅外成像等3種途徑。人工照明是最古老和普遍的方法，然而，人工照明在有霧、煙和灰塵存在的低能見度條件下，效果不理想。在軍事應(yīng)用方面，車燈光、閃光燈都會產(chǎn)生“信標(biāo)”作用，會使敵人覺察到觀察者的存在及其所在的方位。微光成像的主要缺點(diǎn)是需要相當(dāng)于夜間明亮星光照明度的光，且圖像增強(qiáng)器僅能對可見光和近紅外加以放大，不能透過云層、霧、煙或厚的灰塵。紅外焦平面成像技術(shù)是一種可探測目標(biāo)的紅外輻射，并能夠通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的技術(shù)。紅外成像屬于被動探測，其擺脫了人工照明或?qū)Φ土炼冗M(jìn)行放大的技術(shù)限制，能夠在有霧、云、煙和灰塵的環(huán)境條件下提供優(yōu)良的圖像性能。

由于紅外成像系統(tǒng)比雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率高、隱蔽性好，且不易受電子干擾，與可見光系統(tǒng)相比具有能夠識別偽裝、可晝夜工作、受天氣影響較小等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，如單兵武器、導(dǎo)彈制導(dǎo)、火控瞄準(zhǔn)、駕駛輔助燈等，如圖1所示。

圖1 紅外成像在軍事等領(lǐng)域的典型應(yīng)用

基本類型的紅外探測器主要分為制冷型光子探測器和非制冷型熱探測器兩種。制冷型光子探測器探測率高，但需制冷到液氦溫度工作，價格昂貴，僅用于重要軍事場合。非制冷型熱探測器在成本、尺寸、功耗與可靠性等方面具有優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于單兵武器及對價格敏感的非制冷紅外成像應(yīng)用等方面。在民用領(lǐng)域，紅外熱像技術(shù)可廣泛用于車船夜間輔助駕駛系統(tǒng)、安防監(jiān)控、建筑節(jié)能檢測、工業(yè)測溫、疾病防控、消防、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健領(lǐng)域。

由于紅外成像技術(shù)廣泛的軍事用途，西方發(fā)達(dá)國家對我國實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖與產(chǎn)品禁運(yùn)政策。美國政府禁止向我國銷售紅外探測器產(chǎn)品；法國采用嚴(yán)格審批制度，將較差的產(chǎn)品限量銷售至我國。這給我國的紅外成像行業(yè)與武器裝備發(fā)展造成了極大的困難，制約了我國夜戰(zhàn)能力的提升。

2 非制冷紅外成像技術(shù)簡介

非制冷紅外成像技術(shù)自20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)90年代開始開發(fā)，21世紀(jì)初逐步走向?qū)嵱没环Q為第三代紅外成像技術(shù)。在性能接近的情況下，非制冷紅外成像設(shè)備的價格僅為制冷型紅外成像設(shè)備的1/10乃至1%，功耗也由數(shù)十瓦降至數(shù)瓦乃至1W以下，使手持紅外成像終端的研發(fā)成為可能。

在軍事領(lǐng)域，非制冷紅外成像廣泛應(yīng)用于夜視、制導(dǎo)、偵察、火控、告警等方面，如單兵夜視頭盔、槍瞄、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、智能炮彈、艦（機(jī)）載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)、無人機(jī)（車）等裝備。美軍在海灣戰(zhàn)爭期間，平均每名士兵裝備了1.7套紅外成像裝置（TWS），如圖2所示。

圖2 TWS II武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

這些紅外成像裝置可以大幅改善士兵監(jiān)視、瞄準(zhǔn)和戰(zhàn)斗的效能，可以在零照度條件下，以及霧、煙、灰塵和沙塵暴等惡劣天氣條件下全天候工作。TWS輕型武器熱瞄準(zhǔn)系統(tǒng)重量不到0.91kg，主要安裝在M4卡賓槍和M16步槍上。中型和重型武器熱瞄準(zhǔn)系統(tǒng)重量分別小于1.16kg和1.81kg，可使空降兵、空襲兵、巡邏兵和機(jī)械化步兵的班組武器具有遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測能力。自2004年以來，僅英國BAE系統(tǒng)公司已經(jīng)獲得了價值超過10億美元的熱瞄準(zhǔn)系統(tǒng)生產(chǎn)合同，向陸軍交付了超過10萬套武器熱瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。

非制冷紅外成像技術(shù)在紅外制導(dǎo)等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的分辨率高、抗干擾性強(qiáng)、設(shè)備簡單、重量輕、成本低，且由于采用被動探測，無需紅外輻射源，所以隱蔽性也較好。導(dǎo)彈發(fā)射后，導(dǎo)彈獨(dú)立地飛向目標(biāo)，有利于消滅敵人，保全母機(jī)及其駕駛員。

隨著非制冷型紅外成像技術(shù)進(jìn)步和其價格的不斷降低，紅外夜視也逐步從軍事領(lǐng)域步入警用領(lǐng)域，廣泛用于警察執(zhí)法和消防安全。例如，在毒品交易中，非制冷型紅外熱像儀可大幅提高執(zhí)法人員獲取現(xiàn)場毒品交易實(shí)況的能力；在消防領(lǐng)域，紅外成像頭盔上的應(yīng)用可大幅提高消防隊(duì)員在濃煙密霧和夜間現(xiàn)場的觀察和機(jī)動能力。

目前，國際上非制冷型紅外成像芯片的主流技術(shù)有非晶硅和氧化釩等兩種。美國同時擁有氧化釩和非晶硅紅外成像芯片技術(shù)，法國僅擁有非晶硅技術(shù)。與氧化釩薄膜相比，非晶硅電阻率較高，傳感器熱噪聲比氧化釩技術(shù)高1個數(shù)量級以上。因此，非晶硅焦平面?zhèn)鞲衅餍阅苌赃d，多用于對成像性能要求稍低的非軍事用途。氧化釩紅外成像技術(shù)既可用于中低端民用領(lǐng)域，又可用于高端軍事領(lǐng)域，被譽(yù)為目前世界上最好的非制冷紅外成像技術(shù)，市場占有率高達(dá)70%以上，如圖3所示。氧化釩技術(shù)由美國Honeywell公司在20世紀(jì)90年代中期研發(fā)成功，研發(fā)時間長達(dá)十多年，耗資多達(dá)數(shù)千萬美元。Honeywell公司在研制成功成像芯片樣品后，將該技術(shù)授權(quán)轉(zhuǎn)讓給了美國及其盟國的幾個公司進(jìn)行量產(chǎn)，包括英國BAE北美公司、Indigo（現(xiàn)被FLIR收購）公司、Boeing紅外部門（現(xiàn)并入DRS）、加拿大INO公司，以及日本NEC公司、以色列SCD公司等幾家公司生產(chǎn)。

圖3 3種非制冷紅外成像技術(shù)的市場份額

3 國外非制冷型紅外成像技術(shù)發(fā)展概況

國外紅外傳感與成像產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)已比較成熟。如圖4所示，根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)Maxtech International的統(tǒng)計，2015年全球紅外熱像儀市場的前十大供應(yīng)商中，美國廠商共占6席。其中，美國FLIR公司、BAE北美公司與DRS公司排名前三位。FLIR公司與BAE北美公司占據(jù)了全球紅外成像市場的51%，排名緊隨其后的包括美國L-3通信公司、美國Fluke公司、法國Sofradir/ULIS公司、美國Raytheon公司等。日本NEC Avio公司和以色列SCD公司也都是紅外熱像市場的行業(yè)領(lǐng)先者。

圖4 2015年度全球紅外熱像儀市場占有率分布

在全球紅外成像市場版圖中，美國處于絕對領(lǐng)先地位，知名公司包括FLIR公司、BAE北美公司、DRS公司、L-3通信公司、Fluke公司等。法國在紅外領(lǐng)域也具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，知名公司包括法國Thales系統(tǒng)公司、Sofradir和ULIS公司。日本與以色列分別以NEC-Avio公司與SCD公司為代表。此外，加拿大的INO公司、EG&G光電子公司和AEREX航空電子公司，以色列的飛機(jī)工業(yè)公司，韓國的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所在紅外成像市場上也占有一席之地。在諸多歐美公司中，美國FLIR公司、BAE（北美）公司、DRS技術(shù)公司、Raytheon公司、法國ULIS公司分別是國外軍用和民用紅外成像領(lǐng)域的佼佼者。

3.1 美國FLIR公司

美國FLIR系統(tǒng)公司創(chuàng)建于1978年，目前擁有8家工廠、3200多名紅外專家，專注于機(jī)載型高性能紅外成像系統(tǒng)的前沿開發(fā)，其商用紅外成像儀的市場占有率位居世界首位，產(chǎn)品包括紅外成像機(jī)芯組件、紅外成像儀、航空攝像機(jī)和光電監(jiān)測系統(tǒng)等，銷售、市場和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)遍及全球

60多個國家。

2003年，F(xiàn)LIR公司并購了Indigo系統(tǒng)公司。Indigo公司是制冷與非制冷型紅外焦平面探測器器件、機(jī)芯組件的研發(fā)制造商。自此，F(xiàn)LIR公司擁有了自己的核心探測器與核心技術(shù)。2014年9月，F(xiàn)LIR公司新推出了Muon系列探測器模組，如圖5所示。該模組的像素陣列規(guī)模為640×512與336×256，像元尺寸為17mm，靈敏度小于50mK；探測器采用先進(jìn)的芯片級尺寸封裝技術(shù)，模組尺寸為22mm。

圖5 FLIR公司2014年推出的Muon系列探測器模組

3.2 BAE系統(tǒng)公司

BAE系統(tǒng)公司于1999年11月由英國航空航天公司和馬可尼電子系統(tǒng)公司合并而成，是一家跨國企業(yè)集團(tuán)。2000年，在世界百強(qiáng)軍工企業(yè)中居第三位，現(xiàn)從業(yè)人員超過10萬人。該公司有一個分部專門從事紅外探測器的研發(fā)與生產(chǎn)，另有其他部門從事熱像儀和光電系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)。截至2011年9月，BAE系統(tǒng)公司已經(jīng)交付美國陸軍10萬套武器熱成像瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，以支持陸軍在伊拉克和阿富汗的軍事活動。這些熱瞄準(zhǔn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于步槍、機(jī)槍和組合式武器系統(tǒng)上，提供全天候監(jiān)視和瞄準(zhǔn)能力。

3.3 DRS技術(shù)公司

DRS技術(shù)公司總部位于美國弗吉尼亞州阿靈頓，主要提供先進(jìn)的制冷與非制冷紅外熱成像解決方案，應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)、公眾安全和消防，以及單兵攜帶、地面車輛、機(jī)載和海上應(yīng)用等。DRS公司1998年收購了德州儀器公司和休斯飛機(jī)公司的紅外傳感器和系統(tǒng)業(yè)務(wù)部分，2001年收購了波音公司的焦平面探測器業(yè)務(wù)。DRS公司的非制冷紅外焦平面產(chǎn)品陣列規(guī)模涵蓋了低端320×240直至高端的1024×768，像元尺寸包括25mm和17mm兩種類型。2013年，DRS公司與Cypress半導(dǎo)體公司展開合作，利用Cypress公司的10級8英寸晶圓制造廠大量生產(chǎn)非制冷紅外探測器，用于各種商用和軍用光電傳感器。

3.4 美國Raytheon公司

美國Raytheon公司于1922年在馬薩諸塞州成立，是防御、國土安全等市場的技術(shù)領(lǐng)先者。近年來，Raytheon公司將其核心業(yè)務(wù)集中在國防和商務(wù)電子、商用和軍用飛機(jī)，以及工程建筑等3個領(lǐng)域。其研制生產(chǎn)的探測器和成像裝置品質(zhì)優(yōu)良，已交付超過45萬臺/套用于軍事、科學(xué)和商業(yè)領(lǐng)域的成像系統(tǒng)，包括2.5萬套“標(biāo)槍”探測組件裝置。目前，Raytheon公司正致力于成為全球防御和航天系統(tǒng)的主要供應(yīng)商。

3.5 法國ULIS公司

2000年，ULIS公司的母公司Sofradir公司開始涉足非晶硅非制冷探測器領(lǐng)域，2002年將整塊業(yè)務(wù)劃給新成立的ULIS公司。目前，ULIS公司已成為法國一家獨(dú)立的、基于非晶硅技術(shù)的非制冷探測器制造商，向全球用戶提供低成本的民用和軍用熱成像產(chǎn)品。ULIS公司的非制冷紅外焦平面探測器主要產(chǎn)品規(guī)格包括384×288、640×480與1024×768等，像元尺寸從35mm、25mm至17mm。2013年，ULIS公司推出了1024×768規(guī)模的非制冷焦平面探測器，如圖6所示，主要用于高端軍事應(yīng)用中。

圖6 ULIS公司1024×768規(guī)模的17mm像元焦平面探測器

4 國內(nèi)非制冷型紅外成像技術(shù)發(fā)展概況

我國從事紅外成像產(chǎn)品開發(fā)的主要有研究所和企業(yè)，其中，我國從事紅外熱成像技術(shù)研發(fā)的民營企業(yè)有十余家，但大部分企業(yè)研發(fā)實(shí)力弱，品牌影響力小，許多企業(yè)實(shí)際上是國外產(chǎn)品的代理商或系統(tǒng)集成商。其中，研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)、能夠獨(dú)立開發(fā)紅外熱成像系統(tǒng)后續(xù)電路和圖像處理軟件的民用生產(chǎn)企業(yè)主要有浙江大立科技股份有限公司、廣州颯特紅外股份有限公司和武漢高德紅外股份有限公司等3家。

與國外紅外成像廠家相比，現(xiàn)階段，我國相關(guān)廠家大多主要從事商用產(chǎn)品研發(fā)，國際市場占有率較低。究其原因，主要是因?yàn)閲鴥?nèi)廠家不具有紅外成像器組件等核心器件的量產(chǎn)能力。紅外成像器組件的研制與開發(fā)涉及新材

料、光學(xué)、集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝、計算機(jī)和物理學(xué)等多個學(xué)科，研制難度很高。因此，長期以來，我國紅外產(chǎn)業(yè)（尤其是民用）核心器件受制于人，企業(yè)利潤也大部分被外國企業(yè)獲得。目前，國內(nèi)紅外成像公司的典型代表包括北方廣微科技有限公司、武漢高德紅外股份有限公司、浙江大立科技股份有限公司與廣州颯特紅外股份有限公司。

4.1 北方廣微科技有限公司

北方廣微科技有限公司原為北京廣微積電科技公司，成立于2006年7月，是一家專業(yè)從事非制冷型紅外焦平面探測器及機(jī)芯組件研制與生產(chǎn)，并具有自主獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)企業(yè)。在公司定位與產(chǎn)品定位方面，煙臺艾睿光電科技有限公司與北方廣微科技有限公司是直接競爭對手；在產(chǎn)品性能方面，煙臺艾睿光電科技有限公司推出的產(chǎn)品顯著優(yōu)于北方廣微科技有限公司的產(chǎn)品。

4.2 武漢高德紅外股份有限公司

武漢高德紅外股份有限公司成立于1999年，是一家專業(yè)制造軍用、民用紅外熱成像系統(tǒng)的軍工企業(yè)。2013年，武漢高德紅外股份有限公司啟動了紅外焦平面探測器產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，擬投資2.4億元，投資建設(shè)中部地區(qū)首條8英寸MEMS器件研制中心及產(chǎn)業(yè)化平臺，著力實(shí)現(xiàn)MEMS技術(shù)應(yīng)用及高性能紅外探測器的規(guī)?；a(chǎn)。2014年9月，武漢高德紅外股份有限公司展出了其基于非晶硅的400×300規(guī)模焦平面探測器產(chǎn)品，該產(chǎn)品在產(chǎn)品性能方面與煙臺艾睿光電科技有限公司還有2年左右的差距。考慮到高德公司在紅外成像整機(jī)與光電系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)積累與渠道資源，武漢高德紅外股份有限公司將是煙臺艾睿光電科技有限公司在整機(jī)與系統(tǒng)產(chǎn)品方面的有力競爭對手。

4.3 浙江大立科技股份有限公司

浙江大立科技股份有限公司始建于1984年，由浙江省測試技術(shù)研究所、浙江日報報業(yè)集團(tuán)有限公司和浙江省科技風(fēng)險投資有限公司共同出資組建，于2008年2月在深圳證券交易所掛牌上市，市值約11.96億，主要從事紅外熱像儀系列產(chǎn)品、數(shù)字硬盤錄像機(jī)系列產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售等業(yè)務(wù)。為降低器件采購成本，2006年，浙江大立科技股份有限公司正式啟動了非制冷紅外焦平面芯片項(xiàng)目，沿襲法國非晶硅方案，主要目標(biāo)為替換從法國進(jìn)口的非晶硅成像芯片，非晶硅薄膜熱穩(wěn)定性差，電阻噪聲大，僅適合中低端商業(yè)應(yīng)用。浙江大立科技股份有限公司在2014年9月展出了其640×480規(guī)模焦平面探測器產(chǎn)品。

4.4 煙臺艾睿光電科技有限公司

煙臺艾睿光電科技有限公司是一家2009年底注冊成立的高科技半導(dǎo)體芯片企業(yè)，產(chǎn)品包括擁有自主知識產(chǎn)權(quán)非制冷紅外焦平面探測器、紅外成像機(jī)芯通用組件、紅外熱像儀與太赫茲成像裝置。目前，煙臺艾睿光電科技有限公司已突破了氧化釩敏感材料制備、專用集成電路設(shè)計、微制造工藝開發(fā)、器件真空封裝等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，先后成功開發(fā)出了多款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能非制冷紅外焦平面探測器產(chǎn)品。作為國內(nèi)領(lǐng)先的非制冷紅外焦平面探測器與成像組件供應(yīng)商，煙臺艾睿光電科技有限公司的技術(shù)方案領(lǐng)先，性能優(yōu)異，具有批量供貨能力，從集成電路設(shè)計至機(jī)芯圖像完整技術(shù)工藝鏈擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，2016年發(fā)布了國內(nèi)首款超大面陣1024×768 14μm非制冷紅外焦平面探測器及其機(jī)芯組件，如圖7所示。隨著大面陣、小像元系列化國產(chǎn)非制冷焦平面探測器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，煙臺艾睿光電科技有限公司的產(chǎn)品將在軍用和民用領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用。

圖7 1024×768 14μm非制冷紅外焦平面探測器、機(jī)芯組件及成像效果

5 結(jié)束語

經(jīng)過多年的持續(xù)發(fā)展，在非制冷紅外成像技術(shù)領(lǐng)域，以美國Raytheon公司、英國BAE公司、美國FLIR公司和法國ULIS公司為代表的國外公司技術(shù)較為成熟，財力雄厚。自Honeywell公司開發(fā)出首個非制冷紅外焦平面探測器樣品至今，美國已有近20年的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。因此，我國企業(yè)現(xiàn)階段在市場、產(chǎn)品、設(shè)計、生產(chǎn)、營銷、服務(wù)、經(jīng)驗(yàn)等方面尚未具備與國外先進(jìn)企業(yè)全面、正面競爭的實(shí)力。面對歐美等發(fā)達(dá)國家對我國的技術(shù)和產(chǎn)品封鎖，我國優(yōu)秀企業(yè)走自主研發(fā)之路，在性能接近的前提下，憑借擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和價格等優(yōu)勢，已在國內(nèi)和第三世界市場上具有了相當(dāng)?shù)母偁幜?，尤其是國?nèi)軍品市場已經(jīng)廣泛采用了國內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的各類非制冷紅外探測跟蹤設(shè)備，取得了良好的使用效果。

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1009-8119（2016）11（1）-0054-04